СЖИЖЕННЫЙ УГЛЕВОДОРОДНЫЙ ГАЗ

Сжиженный углеводородный газ при атмосферном давлении и температуре выше нуля находится в газообразном состоянии. При сравнительно небольшом повышении давления - не более 1,6 МПа - он превращается в легкоиспаряющуюся жидкость. Сжиженный газ состоит в основном из смеси двух газов: пропана (около 80%) и бутана (примерно 20%). Кроме того, в нем в небольшом количестве содержатся такие газы, как этан, пентан, пропилен, бутилен и этилен. Теплота сгорания единицы массы сжиженного газа высокая - 46 МДж/кг. При плотности около 0,524 г/см (при 20°С) объемная теплота сгорания сжиженного газа превышает 24 000 МДж/м. Уступая по значению этого показателя бензину, сжиженный газ как топливо является полноценным его заменителем. Относительно небольшая масса тонкостенных стальных баллонов, рассчитанных на рабочее давление до 1,6 МПа, позволяет хранить на автомобиле достаточное количество газа, не уменьшая его полезной нагрузки. Поэтому автомобили, работающие на сжиженном газе, имеют такой же запас хода, как и бензиновые. Газообразное топливо лучше смешивается с воздухом и благодаря этому полнее сгорает в цилиндрах. По этой причине отработавшие газы у автомобилей, работающих на газообразных топливах, менее токсичны, чем у автомобилей, работающих на бензине. Высокая детонационная стойкость сжиженного газа (октановое число по исследовательскому методу более 110) позволяет повысить степень сжатия бензиновых двигателей, переоборудованных для работы на сжиженном газе.

Основными показателями, характеризующими качество сжиженного газа как топлива для автомобилей, являются компонентный состав, давление насыщенных паров, отсутствие жидкого (неиспаряющегося) остатка, содержание вредных примесей.

Компонентный состав газа -- показатель сжиженного газа, всесезонно отпускаемого газонаполнительными станциями для газобаллонных автомобилей, должен изменяться в ограниченных пределах. Сжиженный газ содержит (по массе) не менее 80±5% пропана, не более 20±5% бутана и не более 6% других газов (пропилена, бутилена, этилена). Нарушение соотношения между пропаном и бутаном изменяет теплоту сгорания газа и состав горючей смеси. В результате ухудшается процесс сгорания смеси в цилиндрах двигателя и увеличивается токсичность отработавших газов.

Давление насыщенных паров оказывает влияние на надежность подачи газа в цилиндры двигателя в холодное время года. При температуре минус 30°С оно не должно быть ниже 0,7 МПа. При дальнейшем уменьшении давления нарушится бесперебойная подача газа из баллона. Давление паров не должно также превышать 1,6 МПа при 45°С, так как именно на такое предельное рабочее давление рассчитаны баллоны, применяемые на газобаллонных автомобилях.

Содержание серы, щелочей и свободной воды . При повышенном содержании серы она оседает в топливной аппаратуре, сужая проходные сечения трубопроводов и разрушающе действуя на резино-технические детали. Сгорая в цилиндрах двигателя, сера повышает токсичность отработавших газов. Ее содержание не должно превышать 0,015% по массе. Щелочи и свободная вода должны отсутствовать.

Жидкий остаток . Данного остатка при температуре 40°С не должно быть.

СЖАТЫЙ ГАЗ

Сжатый газ, в отличие от сжиженного, сохраняет свое газообразное состояние при нормальной температуре и любом повышении давления. Он превращается в жидкость только после глубокого охлаждения (ниже минус 162°С). В качестве топлива для автомобилей используют сжатый до 20 МПа природный газ, добываемый из скважин газовых месторождений. Его основной компонент - метан. Сжатый газ имеет очень высокую теплоту сгорания единицы массы -- 49,8 МДж/кг, но из-за чрезвычайно малой плотности (0,0007 г/см при 0°С и атмосферном давлении) объемная теплота сгорания сжатого даже до 20 МПа природного газа не превышает 7000 МДж/кг, т. е. более чем 3 раза меньше, чем у сжиженного. Невысокое значение объемной топлоты сгорания не позволяет обеспечить хранение на автомобиле достаточного количества газа даже при высоком давлении. Вследствие этого запас хода газобаллонных автомобилей, работающих на сжатом природном газе, вдвое меньше, чем у бензиновых или у автомобилей, работающих на сжиженном углеводородном газе. Октановое число метана по исследовательскому методу около 110. Применение вместо бензина сжатого природного газа благодаря его огромным запасам и небольшой стоимости целесообразно, особенно на внутригородских и пригородных перевозках

Показатели сжатого газа : компонентный состав сжатого газа и содержание веществ, вредно влияющих на работу газобаллонной аппаратуры и ускоряющих износ двигателей.

Компонентный состав газа . Сжатый газ, предназначенный для всесезонного применения на автомобилях, должен содержать (по объему) метана не менее 90%, этана - не более 4%, небольшое количество (до 2,5%) других горючих углеводородных газов, окиси углерода - до 1%, кислорода - до 1%, азота - не более 5%.

На один и тот же факт можно смотреть как минимум с трех точек зрения. Так на использование сжатого природного газа на транспорте в качестве топлива, можно сказать - это удел бедных и даже нищих, а можно сказать, что это выбор экономных и не привыкших сорить деньгами зря, а еще есть мнение, что метан - это топливо будущего и те кто сейчас переходит на него, просто идут в ногу со временем и оседлали волну близкого и перспективного мейнстрима. Как считать - выбор ваш!

Поиск альтернативных источников автомобильного топлива - проблема, которой в последние годы уделяется самое пристальное внимание. Рост цен на нефть энергоносители, ужесточение экологических требований, экономия горючесмазочных материалов - все это стало основной движущей силой в поиске альтернативных топлив для многих стран. В последнее десятилетие ХХ века в мировой экономике начала набирать силу третья волна популярности природного газа, используемого в качестве моторного топлива.
По прогнозам экспертов, эта волна достигнет апогея к концу первой четверти ХХI века.

Природный газ
Природный газ, более чем на 90 % состоящий из метана, сегодня доступен практически во всем мире. А что тогда говорить о России!

По мнению экспертов, на использование природного газа в меньшей степени влияют экономические кризисы, чего нельзя сказать о рынке нефти и нефтепродуктов. Метан, будь то ископаемый природный газ или биометан, может распределяться как через существующую сеть природного газа, так и через уже имеющуюся заправочную сеть. Правда, в некоторых странах, стоящих на пороге промышленной революции, вопрос с распределительными сетями пока не решен. Метан, необходимый для автомобильного транспорта, к потребителю может поставляться:
■ по международной газопроводной сети;
■ в виде сжиженного природного газа с помощью наливных судов, автомобильных или железнодорожных цистерн;
■ по местным трубопроводам низкого давления (биометан);
■ автомобильными цистернами (сжиженный биометан).
В настоящее время приняты международные стандарты и одобрены основные виды транспортных средств, пригодных для доставки метана, и в большинстве регионов уже есть сертифицированные поставщики комплектного газового оборудования для применения его в автомобилях.

Неоспоримые преимущества
Перевод автомобилей на природный газ не требует переделки двигателя и позволяет значительно улучшить экологию, так как снижается выброс токсичных веществ в атмосферу.
Так, выбросы оксида углерода уменьшаются в 5–10 раз, углеводородов - в 3 раза, оксидов азота - в 1,5–2,5 раза. Уровень шума работающего двигателя понижается в 2 раза. Работа двигателя на сжатом газе становится мягче, ни в одном режиме не происходит детонации, октановое число газа - 110. К тому же метан легче воздуха и при утечке сразу улетучивается, не создавая взрывоопасной смеси.

Использование газового топлива увеличивает срок службы двигателя и моторного масла в 2 раза, а свечей зажигания - на 40 %. При одинаковом расходе на 100 км пути стоимость газа в 2–3 раза ниже стоимости бензина или дизельного топлива, что сдерживает рост тарифов на транспортные услуги. Использование природного газа в качестве моторного топлива уменьшает зависимость транспорта от нефти и нефтепродуктов и высвобождает значительную их часть для применения в областях, где им нет альтернативы. Сразу заметим, что далее речь пойдет только о природном газе (метане: сжатом или сжиженном), а не о пропанбутановой смеси, широко применяемой в быту, а также применяемой на транспорте (т. н. сжиженный углеводородный газ).

Сжатый или сжиженный
Сжиженный природный газ (СПГ, англ. LNG - liquefied natural gas) получают при охлаждении природного газа метана до –162 °С. В жидком состоянии объем газа уменьшается в 600 раз, что позволяет в значительной степени увеличить эффективность его хранения и транспортировки. Сжиженный природный газ транспортируют так же, как и нефть, в специальных танкерах. В странах импортерах он хранится в резервуарах. В специальных терминалах СПГ разогревается, благодаря чему возвращается в газообразное состояние, и после этого за качивается в газотранспортную систему. Компримированный, или сжатый природный газ (КПГ англ. CNG - compressed natural gas) - это тот же метан, но находящийся в газообразном состоянии, под давлением до 20 МПа. Потребитель может сразу использовать этот газ для собственных нужд. Эксперты попрежнему продолжают спор о достоинствах и недостатках сжатого и сжиженного природного газа. Некоторые считают, что со временем, при создании необходимых условий, сжиженный природный газ вытеснит сжатый, однако другие так не думают. В таблице 1 приведена сравнительная характеристика сжиженного природного газа и компримированного, сжатого.

Видно, что КПГ не требует специальных транспортных устройств для доставки от производителя, однако при его применении необходимо использовать специальные баллоны, имеющие высокую стоимость и значительный вес. Что касается цены такого топлива, то в России стоимость кубометра компримированного газа устанавливается законодательно - в размере 50 % от стоимости литра бензина АИ76. По этой позиции КПГ значительно выигрывает у сжиженного углеводородного газа, для которого цену диктует рынок. Однако проигрывает по стоимости баллонов и оснастки.
СПГ за рубежом
Несмотря на все сложности, за рубежом параллельно с использованием КПГ расширяется применение в автотранспорте и сжиженного природного газа метана, особенно это показательно для США. Так, широкая сеть автозаправочных станций создана на югозападе США в штатах Калифорния, Аризона, Колорадо, Техас, Пенсильвания и других. Крупные автомобильные корпорации, такие как Mack, Ford, MAN уделяют этому вопросу самое серьезное внимание. В Европе производством автомобилей, работающих на сжиженном природном газе, занимаются такие компании, как MercedesBenz, MAN, BMW и др. Сжиженный газ как моторное топливо стал применяться в Бельгии, Финляндии, Германии, Нидерландах, Норвегии, Франции, Испании, Великобритании и других странах Европы.
КПГ в СНГ
На сегодня в России большее распространение в автотранспортной сфере получил КПГ, особенно для городского и коммунального транспорта. В последние годы предпринимаются попытки расширить применение данного вида топлива. К решению этой проблемы привлечены государственные организации и частные компании. Уже имеется многолетний опыт эксплуатации автомобильного газового оборудования, работающего на КПГ, особенно в структуре ОАО «Газпром».
В 2001 году Экономический совет СНГ предложил к реализации межгосударственную программу «Использование природного газа в качестве моторного топлива для автотранспортных средств на 2001–2005 годы», и отчасти благодаря ей в России, да и странах СНГ, наибольшее распространение получил именно КПГ (сжатый метан), а не сжиженный природный газ.

Баллоны для КПГ
Для замены одного литра дизельного топлива аналогичным количеством энергии, содержащимся в бензине, потребуется топливный бак, объем которого на 15 % больше. Если же использовать СПГ, то объем бака придется увеличить на 70 %, а при использовании компримированного природного газа (метана), который хранится при рабочем давлении в 200 бар (20 МПа), топливные баки должны занимать объем больший в 4,5 раза.

Поэтому применение компримированного природного газа во многом ограничивается наличием специальных баллонов. В отличие от остальных стран СГН в России этот вопрос решается достаточно успешно. Баллоны для метана, как правило, имеют цилиндрическую форму и условно подразделяются на четыре типа, включающие как баллоны, традиционно изготавливаемые из стали, так и облегченный вариант - баллоны с использованием полимерных композиционных материалов на основе стеклянных углеродных или органических волокон. Среди таких емкостей:
■ бесшовные стальные баллоны;
■ металлопластиковые баллоны (тип 1), состоящие из металлической толсто стенной оболочки (лейнера), несущей основную нагрузку, и внешней армирующей оболочки из полимерного композиционного материала;

■ металлопластиковые баллоны (тип 2) - тонкостенный металлический лейнер и армирующая оболочка из полимерного композиционного материала типа «кокон» по всей поверхности;
■ композитные баллоны - полимерный лейнер с закладными металлическими элементами для присоединения запорной аппаратуры и силовая оболочка из композиционного материала.
В России насчитывается 4 производителя баллонов для сжатого природного газа (рассчитанные на давление 20 МПа), два из них выпускают как цельнометаллические, так и металлопластиковые баллоны (см. таблицу 2).

Такие компании, как, «Рузхиммаш» (г. Рузаевка, Мордовия) и «Оргэнергогаз» (подразделение «Газпрома»), производившие эту продукцию, прекратили выпуск автомобильных баллонов. Мелкие партии производит НПП «Маштест» (г.Королев).
Имеется пара производителей автомобильных баллонов для КПГ на Украине.
Это ОАО «Бердичевский машиностроительный завод Прогресс» и ОАО «Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича». В условиях хорошего спроса на КПГ и развитой сети газозаправочных станций на Украине производители отмечают неплохой спрос на свои изделия.
Практически все российские производители баллонов ориентированы на внутренний рынок и рынок стран СНГ, хотя завод в Орске получил международный сертификат и имеет возможность поставлять данную продукцию в страны дальнего зарубежья.
Мировая практика свидетельствует, что около 70–80 % используемых для транспортировки метана баллонов - цельнометаллические. И это несмотря на то, что использование металлопластиковых баллонов позволяет снизить вес комплекта примерно в 1,3–1,5 раза, что особо актуально при необходимости установления нескольких баллонов. Связано это с тем, что эффективные технологии производства «композитных» баллонов появились значительно позже и, конечно же, с тем, что металлопластиковые баллоны дороже цельнометаллических. Однако нужно заметить, что применение облегченных баллонов в продолжительной перспективе выгоднее из-за экономии веса машины, приводящей к экономии топлива, и повышения грузоподъемности средства передвижения - последнее особенно важно, когда речь идет о грузовом транспорте.
ГБО - газобаллонное оборудование
Кроме самих баллонов для установки их на автотранспортное средство необходимо закупать дополнительно соответствующее газобаллонное оборудование (ГБО). У владельца транспортного средства есть два варианта - купить отечественное ГБО (производства «Рязанский завод автомобильной аппаратуры», «Воткинский завод газовой аппаратуры» и др.) или импортное.
Цена вопроса
Переоборудовать автомобиль для рабо ты на КПГ - удовольствие недешевое. Так, стоимость металлокомпозитного баллона составляет около 7,5–8,5 долл./л, цельнометаллического - 7 долл./л. Таким образом, серийный металлокомпозитный баллон объемом 50 л обойдется потребителю в 400 долларов, цельнометаллический - 350 долларов, и это без учета стоимости газобаллонного оборудования. Если же планируется перевод на КПГ грузовых автомобилей или автобусов, то, в зависимости от необходимого объема, придется устанавливать несколько баллонов, что приведет к удорожанию комплекта в несколько раз. Перевод легкового автомобиля на КПГ обойдется в 1 тыс. долларов, грузового и автобусов - выше 2,0–2,5 тыс. долларов.

Стоимость автомобильных баллонов стран СНГ на 50 л для сжиженного углеводородного газа (пропанбутановая смесь) равняется 30–50 долларам, а затраты на переоборудование легкового автомобиля составят порядка 200–400 долларов, в зависимости от производителя и вида ГБО.
Окупаемость
По расчетам экспертов, с учетом цен на топливо на начало 2006 года, окупаемость автомобильных транспортных средств при переводе с бензина на компримированный газ, при среднегодовом пробеге 60 тыс. км составляет от 3 до 5 лет, в зависимости от грузоподъемности и типа автомобиля. Если учесть возросшую с начала года стоимость бензина и больший пробег автомобиля, то период окупаемости может оказаться существенно короче. Если же взять автотракторную технику, например К700 или Т150, то благодаря внушительному расходу топлива срок окупаемости составит около года.
Становится понятно, почему в западных странах и в нашей столице на альтернативное газовое топливо прежде всего переводится городской транспорт - экономия слишком очевидна и велика.
Мировой опыт
К концу 2005 года в мире насчитывалось свыше 4,6 млн автомобилей, работающих на КПГ. Несомненными лидерами среди стран в данной области являются Аргентина, Бразилия и Пакистан. Первые две страны имеют парк газобаллонных автомобилей (ГБА) свыше одного миллиона.
АГНКС - заправочные станции
Современные АГНКС должны удовлетворять следующим требованиям:
■ низкая стоимость;
■ минимальные габариты и масса;
■ простота установки и эксплуатации;
■ независимость от систем электро и теплоснабжения;
■ максимальная безопасность и комфортность условий работы обслуживающего персонала;
■ автоматизация управления станцией;
■ оперативность заправки с точностью, достаточной для коммерческого учета (до 2 %).
Производители должны быть готовы предложить заказчику достаточную номенклатуру АГНКС по производительности.

Аргентина и Бразилия располагают хорошо развитой системой автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС). Количество АГНКС, действующих в этих странах к началу 2006 года, превышало тысячу, что позволило реализовывать Аргентине около 280 млн куб. м. газа в месяц, а Бразилии - около 163 млн куб. м. Примечательно, что набольшие темпы в строительстве новых АГНКС отмечены в Пакистане и Китае, где запланировано строительство более 200 станций. Свыше 100 АГНКС строятся в Бразилии и Иране, а вот лидер по числу автомобилей, работающих на газе, - Аргентина - пока не планирует строительство новых АГНКС.
Россия и СНГ
Несмотря на значительные запасы природного газа, Россия пока уступает Украине в использовании КПГ и занимает в мировом рейтинге 12 место (см. таблицу 3).

Российский парк автомобилей, работающих на метане, оценивается примерно в 52 тысячи. Сегодня в России действует 215 автомобильных газонаполнительных компрессорных станций, 87 % из которых принадлежит «Газпрому», их суммарная проектная мощность
составляет около 2 млрд куб. м/год, что позволило бы заправлять 250 тыс. автомобилей в год. Через российские АГНКС в 2005 году было реализовано 237 млн куб. м природного газа (19,75 млн куб. м/мес.).
Таким образом, загрузка имеющихся газозаправочных станций в России составляет лишь 10–15 %, но в целом за последние годы потребление природного газа автомобильным транспортом в России стабильно растет на 25–30 % в год.

Свою сеть многотопливных заправочных комплексов (МАЗК) в России создала и компания Douglas Consulting, которая не только реализует газомоторное топливо, но и предлагает полный спектр услуг по переводу автомобилей на газ. В последние годы на КПГ обратили внимание и другие нефте и газодобывающие компании. Благодаря политике «Газпрома», в схемах газификации регионов в обязательном порядке предусматривается сооружение АГНКС, на газ постепенно переводятся целые отрасли. Так, ОАО «Российские железные дороги» успешно реализует программу перевода на газ магистральных и маневровых тепловозов.
Подготавливается аналогичная программа по газификации сельхозтехники. В программе «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» указано, что в предстоящие годы наиболее динамично будет расти потребление моторного топлива - на 15–26 % к 2010 году и на 33–55 % к 2020 году. При этом в качестве моторного топлива в долго срочной перспективе будут использоваться наряду с традиционными жидкими нефтепродуктами сжиженный и сжатый природный газ (в эквиваленте до 5 млн т нефтепродуктов к 2010 году и до 10–12 млн т в 2020 году).
В Татарстане, нефтяном российском регионе, действуют 9 автомобильных газонаполнительных компрессорных станций ООО «Таттрансгаз» суммарной производительностью 70,6 млн куб. м в год, при этом их фактическая загрузка составляет в среднем 7–8 % проектной мощности изза малого количества газобаллонных автомобилей. В 2006–2010 гг. ООО «Таттрансгаз» планирует ввести в эксплуатацию еще 11 АГНКС. Кроме того, в республике действуют десятки газораспределительных станций, способных после дополнительной установки заправочных компрессорных модулей обеспечить получение значительного количества сжатого природного газа для заправки транспортных средств. Таким образом, КПГ в России имеет неплохие перспективы.
Украина
К концу 2005 года на Украине насчитывалось около 67 тыс. газобаллонных автомобилей и 147 АГНКС. Реализация КПГ достигла 540 млн куб. м/год. Первоначально большинство АГНКС находились в ведении компании «Укравтогаз», однако затем стали появляться независимые операторы. Однако, несмотря на убедительные преимущества, полностью реализовать потенциал КПГ пока не удается. Согласно оценкам структур, работающих в газо вой сфере, Украина ежегодно может переоборудовать 20–25 тыс. транспортных средств.
Одной из вероятных причин отставания эксперты считают отсутствие на Украине современного производства металлокомпозитных баллонов. Два производителя, о которых упоминалось ранее, поставляют на внутренний рынок только цельнометаллические баллоны, да и они пока не могут полностью удовлетворить потребности рынка.
Среди задач, требующих решения, остается также развитие сети ГЗС, поддержка государства и муниципальных властей в данной сфере.
Армения
По информации министерства транспорта Армении, в настоящее время газовыми установками оснащено около 38 тыс. автомобилей, что составляет от 20 до 30 % эксплуатируемых в стране машин - довольно высокий показатель. Причина резкого увеличения использования КПГ - значительная разница между ценами на компримированный природный газ и традиционными видами автомобильного топлива. Согласно прогнозам, высокие темпы роста перевода автомобилей на газ в этой стране сохраняться и в ближайшие годы, более того, они могут достичь 20–30 % в год.
Другие члены содружества
Таджикистан переживает существенный рост потребления природного газа автомобильным транспортом. Начиная с 1997 года, после выхода соответствующего постановления правительства страны, количество АГНКС возросло к 2006 году с 3 до 53. В основном это станции не большой производительности. На сегодняшний день сеть АГНКС Белоруссии состоит из 24 АГНКС в 17 городах республики, 5 передвижных АГЗС. Обслуживаемый парк - 5,5 тыс. газобаллонных автомобилей. ОАО «Белтрансгаз» разработало стратегию расширения использования КПГ, на базе национальной программы расширения использования газа в качестве моторного топлива, и концепцию развития сети АГНКС. К 2010 году планируется довести число ГБА до 14,5 тыс. и объем реализации КПГ до 72,3 млн куб. м/год.
В Молдове и Узбекистане перевод автотранспорта на сжатый природный и сжиженный газ происходит не так быстро. Так, в Молдове насчитывается около 4,5 тыс. ГБА и лишь 8 АГНКС. В Узбекистане эксплуатируется менее 10 тыс. единиц автомобилей, работающих на газовом топливе (менее 1% от всего автомобильного парка), используется порядка 30,0 тыс.т сжиженного углеводородного газа и 70–72 млн куб. м КПГ, хотя природные ресурсы позволяют значительно увеличить количество ГБА.

Тормоз для КПГ
По мнению аналитиков рынка, существуют проблемы, мешающие более масштабному переходу на КПГ. Главные из них:
■ высокая стоимость переоборудования транспорта для работы на газе и зачастую - отсутствие для этих целей необходимых денежных средств у хозяйств, коммунальных служб и т. п.;
■ отсутствие серийного производства уже готовых газобаллонных автомо билей российскими автопроизводителями;
■ недостаточно развитая сеть АГНКС. В странах Европы пункты заправки находятся на максимальном расстоянии друг от друга в 30 км, а в РФ имеются трассы, где на тысячи километров не насчитывается ни одной АГНКС.

Кроме того, приходится решать и вопросы высокой степени износа (особенно по резерву двигателей) автопарка муниципальной собственности и госструктур, неподготовленность персонала во многих региона РФ к обслуживанию автомобилей, работающих на КПГ. В России ограничено число компаний, имеющих сертификаты и способных переоборудовать транспортные средства для работы на КПГ, своевременно освидетельствовать автотранспортное средство с ГБО. Эта проблема особенно актуальна для регионов.
Перевод транспорта на природный газ - задача несомненно важная и при разумном подходе экономически выгодная, однако решение ее возможно только при непосредственном участии соответствующих ведомственных организаций и поддержке государства.

России, имеющей крупнейшие в мире запасы природного газа, непозволительно не воспользоваться ситуацией для популяризации КПГ и возможной замены традиционных видов топлива.

Сергей Ким Октябрь 2006

P.S. От себя могу добавить, что муж моей родственницы, работающий таксистом уже более 15 лет, постоянно переводит свои вновь купленные машины на метан и после переделки стоимость топлива для пробега машины снижается примерно в 3 раза по сравнению с бензином.

Это, так сказать, непосредственный опыт.

Компримированный сжатый газ получают разными способами: непосредственно из газовых скважин, как продукт переработки нефти и путем фракционирования газового конденсата или нефтяного попутного газа. Сжатый природный газ не только может с успехом заменить жидкие моторные топлива, но и превосходит их по ряду параметров. Его основное преимущество состоит в том, что сжатый природный газ может использоваться на автомобильном транспорте без дорогостоящей технологической переработки.

Состав природных газов, добываемых на отечественных месторождениях, достаточно однотипен. В основном (82-98%) это метан СН 4 с небольшими примесями (до 6%) этана С 2 Н 6 , до 1,5% пропана С 3 Н 8 и до 1% бутана С 4 Н 10 . В попутных газах, добываемых на нефтяных месторождениях, в зависимости от района добычи содержание метана может колебаться в пределах от 40 до 82%, а бутана и пропана - от 4 до 20%.

Основной компонент - метан СН 4 характеризуется наивысшей критической температурой (-82°С). Поэтому при нормальных температурах даже при высоком давлении метан не может быть сжижен: для этого необходима низкая температура.

Свойства метана определяются его молекулярным строением. Газ относится к простым углеводородам. Его молекула содержит на один атом углерода максимум водорода. Этим обусловлена высокая теплопроводность метана, широкий диапазон воспламеняемости и низкое содержание токсичных составляющих. Ввиду высокого содержания водорода в сжатом газе происходит его более полное сгорание в цилиндрах двигателя, чем ГНС и бензина. По сравнению с другими газами-углеводородами метан намного легче воздуха, поэтому в случае утечки он скапливается в верхней части помещения. Высокая детонационная стойкость метана допускает форсирование двигателя по степени сжатия (9,5-10,5).

По энергетическим параметрам 1 м3 природного газа приравнивают к 1 л бензина. В то же самое время природный газ обладает очень низкой объемной концентрацией энергии. Если теплота сгорания 1 литра жидкого топлива равна 31426 кДж, то у природного газа она равна 33,52-35,62 кДж, т.е. почти в 1000 раз меньше. Поэтому природный газ необходимо сжать до высокого давления.

На автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях в России рабочее давление - 20 МПа.

Для сжатого газа применяют газобаллонные установки (баллоны, арматура, редуктор, газопроводы и др.), рассчитанные на работу при высоком давлении - 19,6 МПа (200 кгс/см 2). По мере расходования газа из баллона непрерывно уменьшается и рабочее давление в нем.

Баллоны для КПГ имеют вместимость от 34-400 л, рассчитаны на давление 19,6 МПа.

Поскольку баллоны для хранения сжатого газа изготавливаются толстостенными, батарея из восьми таких баллонов достаточно тяжела. Следовательно, снижается и полезная грузоподъемность автомобилей. Одновременно пробег автомобилей на КПГ становится в 2 раза меньше, чем на бензине. Поэтому более перспективной считают криогенную технологию хранения КПГ на автомобиле. К тому же это направление считают этапным и на пути создания водородных двигателей.

Компримированный (сжатый) природный газ (КПГ) ранее назывался сжатым природным газом (СПГ) регламентируется по ГОСТ 27577-2000 "Газ топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания" определяет физико-химические и эксплуатационные показатели КПГ (табл. 5.7).

Таблица 5.7 Физико-химические показатели и эксплуатационные показатели КПГ

Примечание. Значение показателей установлены при температуре 293К (20 °С) и давлении 0,1013 МПа.

В соответствии с ГОСТ на КПГ температура газа, заправляемого в баллоны автомобиля, должна быть не более 40°С. При температуре окружающей среды выше 35°С температура заправляемого газа должна быть не более чем на 5°С выше температуры воздуха. Температуру КПГ при заправке определяют по требованию потребителей.

КПГ воспламеняется при температуре 635-645°С в камере сгорания двигателя, что в 3 раза выше температуры воспламенения бензина.

Это затрудняет запуск двигателя, особенно при пониженных температурах (ниже -5°С) окружающего воздуха. Поэтому на автомобилях имеется резервная система питания бензином. В то же время по опасности воспламенения и пожароопасности КПГ значительно безопаснее бензина.

К положительным факторам применения КПГ можно отнести следующие:

Повышается срок службы моторного масла в 1,5-2,0 раза из-за отсутствия его разжижения и уменьшения загрязнения; в результате расход масла уменьшается на 30-40% по сравнению с бензиновыми двигателями;

Увеличивается в среднем на 35-40% моторесурс двигателя вследствие отсутствия нагара на деталях цилиндропоршневой группы;

Увеличивается на 40% срок службы свечей зажигания;

Увеличивается в 1,5 раза межремонтный пробег двигателя;

Значительно снижается (до 90%) выброс с отработавшими газами вредных веществ, особенно СО.

Двигатели газобаллонных автомобилей, работающих на КПГ, если газ израсходован, могут быстро перейти на работу на бензине.

Наряду с преимуществами можно отметить следующие недостатки:

Трудоемкость ТО и ТР увеличивается на 7-8%, а цена автомобиля возрастает в среднем на 27% из-за наличия дополнительной газобаллонной аппаратуры;

Мощность двигателя снижается на 18-20%. Ухудшаются тягово-динамические и эксплуатационные характеристики автомобилей: время разгона увеличивается на 24-30%; максимальная скорость уменьшается на 5-6%; предельные углы преодолеваемых подъемов уменьшаются на 30-40%; эксплуатация автомобиля с прицепом затрудняется; дальность ездки на одной заправке газом уменьшается (не превышает 200-250 км);

Грузоподъемность автомобиля снижается на 9-14% в связи с применением стальных баллонов высокого давления (их количество и вес могут быть разными);

Коэффициент использования пробега газобаллонных автомобилей снижается на 8-13% по сравнению с бензиновыми;

Годовая производительность при работе на городских перевозках уменьшается на 14-16% по сравнению с бензиновыми.

Рассмотренные особенности КПГ как топлива для автомобилей позволяют определить и рациональную область применения газобаллонных автомобилей: перевозки в крупных городах и прилегающих к ним районах (приоритетное значение оздоровления воздушного бассейна).

Очевидна эффективность внутригородских перевозок на газобаллонных автомобилях при обслуживании предприятий торговли, быта, связи и других учреждений.

К атегория:

Автомобильные эксплуатационные материалы

Применение сжатого природного газа

Природный газ состоит в основном из метана и небольшой примеси других газообразных компонентов. Состав природного газа отличается в зависимости от его месторождения и может характеризоваться следующими средними значениями: метана 85…99, этана 1…8, пропана и бутана 0,5…3, пентана до 0.5…2, азота 0,5…0,7, углекислоты до 1,8% об.

Теплота сгорания природных газов отдельных месторождений может доходить до 47 МДж/м3, однако в среднем она составляет 33…36 МДж/м3. Эта величина почти в 1000 раз меньше, чем у жидкого нефтяного топлива, что и является основным недостатком природного газа как моторного топлива. Поэтому для обеспечения приемлемых эксплуатационных качеств автомобиля, прежде всего запаса хода при работе на природном газе, требуется его специальная подготовка: сжатие до давления 20 МПа и более с последующим хранением на автомобиле в баллонах высокого давления либо сжижение с помощью глубокого охлаждения до -162 °С с хранением в специальных криогенных (теплоизолированных) емкостях. Из-за большей простоты наиболее широко применяется природный газ в сжатом виде.

К природному газу, используемому в сжатом виде в качестве моторного топлива, предъявляются следующие специфические требования: отсутствие пыли и жидкого остатка, а также минимальная влажность. Последнее требование связано с исключением возможности закупорки каналов топливной системы, вызываемой замерзанием и выпадением гидратов вследствие дросселирования и снижения температуры газа при заправке автомобиля. Для обеспечения выполнения этих требований природный газ подвергается очистке с помощью фильтрующего, сепарационного и осушительного оборудования, установленного на газонаполнительных станциях.

В соответствии с ТУ 51-166-83 «Газ горючий природный сжатый, топливо для газобаллонных автомобилей», для заправки газовых автомобилей предназначены две марки СПГ (табл. 7). Их отличием является различное содержание метана и азота. В составе СПГ ограничено содержание следующих продуктов (г/м3, не более): сероводорода-0,02; меркаптановой серы- 0,016; механических примесей - 0,001; влаги - 0,009. Массовая доля сероводородной и меркаптановой серы в СПГ не должна превышать 0,1%.

В настоящее время наибольшее распространение получило использование природного газа в сжатом виде на автомобилях с двигателями внешнего смесеобразования и принудительным (искровым) воспламенением. Обычно на автомобиль с карбюраторным двигателем дополнительно устанавливаются баллоны для хранения природного газа под высоким давлением, газовые редукторы, электромагнитные клапаны и другая газовая арматура, обеспечивающая возможность работы двигателя на газе. Универсальность питания такого автомобиля (бензин или природный газ) является и его недостатком, так как не позволяет полностью использовать высокую детонационную стойкость природного газа.

Опыт эксплуатации отечественных газовых автомобилей, работающих на СПГ , выявил ряд положительных сторон, схожих с достоинствами при работе на СПГ . При использовании СПГ в качестве моторного топлива моторесурс двигателя увеличивается на 35…40%, срок службы свечей на 30…40%, расход моторного масла снижается благодаря увеличению периодичности (срока) его смены в 2…3 раза. Вместе с тем перевод на сжатый природный газ бензиновых автомобилей ведет к ухудшению ряда их эксплуатационных показателей. Мощность двигателя снижается на 18…20%, что ведет к снижению максимальной скорости на 5…6%, увеличению времени разгона на 24…30% и уменьшению максимальных углов преодолеваемых подъемов. Из-за большой массы баллонов для хранения газа высокого давления грузоподъемность автомобиля снижается на 9…14%. Дальность ездки на одной заправке газа не превышает 200…280 км.

Из-за наличия дополнительной топливной системы трудоемкость технического обслуживания и ремонта газового автомобиля увеличивается на 7…8%.

При использовании природного газа в качестве моторного топлива отмечены его плохие пусковые свойства. Предельное значение температуры холодного пуска двигателя (без дополнительных средств подогрева) на природном газе на 3…8 °С выше, чем на СНГ , и на 10…12 °С, чем на бензине. Трудность пуска объясняется высокой температурой воспламенения метана, а также тем, что в процессе воспламенения после нескольких вспышек на свечах осаждается вода, шунтирующая искровой промежуток.

Важным достоинством газовых топлив по сравнению с нефтяными являются лучшие экологические свойства, связанные прежде всего с уменьшением выбросов вредных веществ с отработавшими газами двигателя. Как известно, такими веществами являются окись углерода СО, окислы азота NO.t, суммарные углеводороды СН и в случае применения этилированных бензинов соединения свинца. Применение газовых топлив, отличающихся высокой детонационной стойкостью, исключает необходимость использования токсичного антидетонатора ТЭС и поэтому является эффективным фактором снижения загрязнения окружающей среды высокотоксичными свинцовыми соединениями. Изменение содержания окиси углерода при работе двигателя на газе и бензине в зависимости от состава топливно-воздушной смеси примерно одинаково. Однако, учитывая возможность работы газового двигателя на более бедных смесях, при его оптимальной регулировке обеспечиваются более низкие концентрации СО. Уровни выбросов СН также примерно одинаковы, однако их состав принципиально отличен. Вредное воздействие углеводородов, образующихся в продуктах сгорания нефтяных топлив, связано главным образом с образованием смога. При работе на природном газе углеводородная часть отработавших газов состоит в основном из метана, обладающего высокой устойчивостью к образованию смога.

Окислы азота являются наиболее токсичными компонентами отработавших газов. Их максимальное содержание для газового двигателя примерно в 2 раза меньше, чем для бензинового. Кроме того, оно может быть дополнительно снижено в 2…3 раза за счет регулировки состава топливной смеси.

Исходя из рассмотренных факторов применение газовых автомобилей на СПГ наиболее рационально на внутригородских грузовых перевозках для обслуживания предприятий торговли, быта и др. Использование природного газа перспективно и на городском пассажирском автотранспорте ввиду снижения в этом случае вредных выбросов, загрязняющих атмосферу. Для этой цели в нашей стране начат выпуск газовых автобусов ЛАЗ -695НГ и газовой модификации легкового автомобиля-такси ГАЗ -24-27.

Наиболее массовым автомобилем, работающим на сжатом природном газе, является грузовой автомобиль ЗИЛ -1Э8А. Основные элементы универсальной системы питания этого автомобиля, обеспечивающей работу на газе и бензине, использованы во всех других моделях газовых автомобилей. Газовая система питания автомобиля ЭИЛ -138А (рис. 23) включает восемь баллонов из углеродистой стали объемом 50 л каждый, рассчитанных на рабочее давление 20 МПа. Баллоны соединены трубками высокого давления и разделены на две секции с отдельными запорными вентилями 12. Заправка баллонов газом осуществляется с помощью вентиля. Перед подачей в двигатель газ проходит теплообменник, в котором подогревается горячими отработавшими газами двигателя. Для снижения давления газа используется редуктор высокого давления (снижает давление до 1,2 МПа) и низкого давления 5. Для контроля за работой системы питания служат два манометра, находящиеся в кабине водителя.

Рис. 1. Принципиальная схема топливной системы автомобиля ЗИЛ -1Э8А

Рис. 2. Схема газодизельной топливной системы автомобиля КамАЗ: 1 -двигатель; 2- ТНВД ; 3-дозатор газа; 4 - электромагнитный клапан с фильтром; 5-редуктор высокого давления; 6 - подогреватель газа; 7- вентили; 8 - манометр; 9 - редуктор низкого давления; 10- баллон; 11- смеситель; 12 - педаль подачи топлива

Резервная система питания бензином включает стандартный бензобак, электромагнитный клапан-фильтр, бензонасос и карбюратор-смеситель. Переход с одного вида топлива на другой осуществляется с помощью электромагнитных клапанов.

Общая вместимость баллонов составляет 400 л, что позволяет заправить 80 м3 газа при массе газобаллонной установки около 800 кг.

Сложность применения газовых топлив в дизельных двигателях связана с их плохой воспламеняемостью, низким цетановым числом и высокой температурой воспламенения. Поэтому для организации работы дизеля на природном газе используется газодизельный процесс, заключающийся в подаче в цилиндры дозы запального дизельного топлива, обеспечивающего воспламенение газовоздушной смеси.

Газодизельный процесс использован в ряде газовых модификаций автомобилей семейства КамАЗ, а также дизельных автобусах. В состав газодизельной системы питания автомобилей КамАЗ входит 8… 10 газовых баллонов высокого давления. Сжатый газ из баллонов поступает в подогреватель 6, где подогревается с помощью тепла охлаждающей жидкости. В редукторе давление газа снижается до 0,95… 1,1 МПа. После этого через электромагнитный клапан-фильтр он поступает в двухступенчатый редуктор низкого давления и затем через дозатор газа в смеситель, где смешивается с воздухом. Газовоздушная смесь подается в цилиндры двигателя, где в конце такта сжатия в нее через обычную форсунку впрыскивается запальная доза дизельного топлива.

Привод рычага управления регулятором топливного насоса высокого давления (ТНВД ) соединен тягой с приводом дроссельной заслонки дозатора. С помощью специального механизма обеспечивается постоянство расхода запальной дозы дизельного топлива в газодизельном режиме работы двигателя независимо от положения педали подачи топлива. Пуск газодизельного двигателя и его работа на холостом ходу происходят только на дизельном топливе. На остальных режимах повышение мощности двигателя достигается путем увеличения подачи газового топлива. Величина подачи запальной дозы составляет 15…20% от суммарного расхода топлива.

Заправка автомобилей природным газом осуществляется на стационарных автомобильных газонаполнительных станциях (АГНКС ) или с помощью передвижных автогазозаправщиков (ПАГЗ ). Типовая АГНКС обеспечивает 500 заправок в сутки. Ее технологическая схема состоит из пяти основных функциональных блоков: сепараторов, компрессоров, осушки, аккумуляторов газа и раздаточных колонок. АГНКС является сложным сооружением, включающим производственно-технологический корпус с газораздаточной и операторной, заправочную площадку с боксами для стоянки автомобилей и внешние коммуникации (подключение к газовой сети, водопровод, линия электропередачи и др.). Газ, поступающий из внешней сети, проходит сепарацию, далее сжимается компрессорами до 25 МПа и подается в установку осушки. Сухой газ направляется для хранения в аккумуляторы, откуда через газозаправочные колонки поступает на заправку автомобилей.

Рис. 3. Технологическая схема стационарной АГНКС

Число заправочных колонок на АГНКС - 8, время заправки с учетом всех операций составляет: для грузового автомобиля 10…12 мин, легкового - 6…8 мин.

Для заправки автомобилей автотранспортных предприятий, удаленных от АГНКС , используются передвижные автогазозаправщики (ПАГЗ ). На ПАГЗ смонтирована газобаллонная установка, снабженная блоками зарядки газом заправщика и раздачи газа автомобилям. Газобаллонная установка обычно включает три секции газовых баллонов объемом 400 fl каждая с давлением 32 МПа для ступенчатой заправки автомобилей бескомпрессорным способом. Заправка осуществляется с помощью двух раздаточных устройств.

Основой природного газа, который имеет природное (натуральное) происхождение является метан (CH4). Формирование природного газа произошло в процессе органического преобразования. Содержание метана в природном газе может колебаться в диапазоне от 91 до 99%, все остальное это - пропан, этан, бутан, а также азот.Такой разброс в процентах объясняется отличием химического состава газа, добытого в разных уголках нашей Земли. Однако, при сгорании природный газ разного происхождения выделяет одинаковое количество тепла, что делает его геопривязку абсолютно не важной как для вас, так и для вашего двигателя. Благодаря электронным датчикам газобаллонного оборудования, состав газа автоматически определяется после чего происходит регулировка пропорции топливной смеси с учетом особенностей этого газа.

Преимущества природного газа

Химический состав природного газа, благоприятно сказывается на состоянии двигателя и не влечет за собой проблем, связанных с эксплуатацией. Благодаря отсутствию в составе метана добавок, которые присутствуют в сжиженных углеводородных газах (СУГ ), продукты горения природного газа не содержат вредных включений. Более того, при сгорании природного газа уровень выбросов CO2 снижается на 25%.

Количество метана в природном газе это - как октановое число для бензина, по этому параметру принято характеризовать природный газ . Что это значит для двигателя? От этого параметра зависит работа двигателя, а также вероятность появления такого явления как детонация.

Сжатый природный газ (СПГ) имеет ряд неоспоримых преимуществ перед сжиженным нефтяным газом (СНГ), среди которых - экологичность и безопасность. Метан, которого, как вы уже знаете, в природном газе больше всего, быстро растворяется в воздухе, что практически сводит на нет вероятность воспламенения газа в случае повреждения . Способ хранения природного газа позволяет минимизировать вероятность неконтролируемой утечки. Исправные цилиндры обязаны выдерживать давление разрыва равное более чем 600 бар, а благодаря клапанной системе происходит контролируемая подача газа.

При работе на СПГ мотор может демонстрировать высокую производительность за счет высокого октанового числа (~130), в особенности, когда мотор оснащен турбиной или системой рециркуляции отработанных газов, а лучше и то и другое вместе. Хотя это имеет и обратную сторону, например, большое потребление газа, а также проблемы с теплоотдачей. Уровень шума двигателя во время работы на природном газе снижается на 3 дБ, поэтому такой тип топлива очень актуален для общественного транспорта. Сжатый природный газ, как и СНГ можно использовать как на бензиновых, так и , хотя в случае с дизелями вам придется столкнуться с низкой окупаемостью. Проблема в том, что на дизельный мотор потребуется устанавливать систему с искровым зажиганием или смешанный цикл, в котором дизельное топливо будет выступать в качестве в качестве поджигающего вещества.

Существуют также и недостатки у этого типа топлива

1. Низкая плотность энергии. Из-за этой особенности природный газ очень часто используется в сжатом виде. Давление или степень сжатия равно 20 МПа или 200 бар. В переводе на плотность энергии мы получаем 7 кдж/дм3, по сравнению с бензином у которого этот показатель равен 30 кдж/дм3 можно получить без каких-либо дополнительных операций по сжатию. Эта особенность природного газа приводит к тому, что мотор для того, чтобы работать на этом топливе должен быть оптимизирован для этого, а сам при этом буде существенно выше. При равных размерах газовых (СНГ и СПГ) на СНГ можно проехать больше, поэтому чтобы компенсировать низкую производительность, желающим использовать метан в качестве альтернативного топлива , приходится ставить на свои авто больше газовые резервуары. Это как вы понимаете ведет к увеличению общего веса автомобиля, и уменьшению свободного места в багажнике. Высокое давление, необходимое для хранения заполненных СПГ резервуаров (как правило, цилиндрической или круглой формы) делают емкости весьма громоздкими и в случае с легковушками отнимают много места.

Существует два вида систем способных работать на природном газе - моновалентные и двухвалентные.

• Моновалентный тип предусматривает сжигание исключительно СПГ, который поступает из специального резервуара.
• Бивалентный тип предусматривает одновременное использование газа вместе с основным топливом, за счет чего возникает экономия денежных средств и снижается расход бензина.